从4680电池的体积成组率计算中看特斯拉4680电池能量密度

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千叶给我一些信息,用于计算4680的成组率的过程,我觉得很有意义,结合特斯拉4680的电池公开专利《INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM》(专利号:WO/2021/102340),做一些探讨。

我们发现这么几个问题:在电池设计中,由于圆柱也是Z向高度敏感型,所以如果考虑电池包的厚度、内部间距和排烟通道等设计考虑,圆柱的体积成组率大约在下图1的范围。

随着7月4680的稳定发展,对于材料段需求也在逐步往上拉,预估从Q3开始4680相关的产业链的拉动效果开始了。

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▲图1. 4680的体积使用率的计算

 

Part 1 专利中的一些说明

● 排烟通道和底部的考虑

正常的底部设计,是一定要考虑底部的球击考虑的,也就是说下箱体结构(我们观察到目前4680的底板很平),所以这里在模组层面可能会用蜂窝状结构,尽可能吸收并分散来自车辆底部的撞击能量,以减缓给电芯带来的损坏。

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▲图2. 底部球击的考虑

因此我们假设在整个过程中,主要考虑两个维度:一个是电芯在XY方向上的投影面积,主要是看圆柱电池在多个电芯之间的浪费的间隙有多少;一个是在Z方向上的利用率,就是考虑电气连接、组合板、排气通道和缓冲区域需要多少距离。

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▲图3. 在两个方向上的考虑

在设计中装载电芯的支架可以起到结构支撑电芯的功能,可以在热失控的时候起到热阻隔的功能,让电芯喷出来的熔渣掉下去。

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▲图4. 结构支架的作用

● 结构胶和散热

在Model S Plaid里面,我们看到包裹在电芯四周的结构胶用于定位电芯和约束电芯,以应对外界的惯性冲击和震动载荷,其实这里还是有很多的作用的,结构胶还能起到散热功能,并能提供与主动冷却系统(蛇形冷却管)并行的散热通道。在圆柱电池里面,蛇形冷却管其实作用很大,一方面提供了交叉流通提供了水冷通道,一方面能起到对电芯的限位作用。

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▲图5. 对应的专利结构图

● 其他有趣的地方是,由于设计方面的改变,4680电芯的钢壳是不带电的,因此不需要再额外增加绝缘材料,可以让电池系统体积利用率尽可能的提高。

 

Part 2 计算过程

在递进的计算过程中,由于圆柱本身的面积是可以计算的,所以在一定的边界框架下进行计算:

● 是否考虑X和Y方向的壁厚

● 两个方向上边沿和圆柱电池的间距

根据这里就可以计算出X和Y方向上有效的间距,然后把X和Y方面最大的可布置的电芯数量放进去。

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▲图6. 电池包的XY值

根据这个数据,可以估算出在XY方向的有效使用率:

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▲图7. 分解为XY方向和Z方向的过程利用率

小结:我是觉得4680的方向上,可以通过各种工具来进行计算,来迭代直径和高度的最优解,这个过程其实比我们想象的要简单一些,根据尺寸链的约束去排布,其实很容易能得到结果的。也有工程师朋友给了我发了计算结果,说实话,这种利用率啥的都是物理上可以检验的,动动手算算。

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